球形釜式搅拌反应器.pdf

本发明提供了一种球形釜式搅拌反应器。包括电动机，含介质入口和介质出口的釜体，位于釜体内的搅拌器通过搅拌轴经过传动机构与电动机连接，其特征是釜体形状为球形。能改善介质的传质、传热条件，安全，且可以立、卧、斜三用。

1、  球形釜式搅拌反应器，包括电动机，含介质入口和介质出口的釜体，位于釜体内的搅拌器通过搅拌轴经过传动机构与电动机连接，其特征在于釜体形状为球形。

2、  如权利要求1所述的球形釜式搅拌反应器，其特征在于釜体为夹套结构。

球形釜式搅拌反应器
技术领域：
本发明与搅拌反应器有关，特别与球形釜式搅拌反应器有关。
背景技术：
反应器是任何化学品生产过程中的关键设备，它决定了化工产品的品质、品种和生产能力。釜式搅拌反应器更是普遍应用的设备。釜式搅拌反应器的研究，主要是如何满足介质在反应过程中传热、传质、温度、压力等相关反应条件。其中釜体的形状和搅拌器的形式是决定传热、传质的关键技术。目前，通常使用的釜式反应器有立式，卧式两种，但釜体都是圆柱筒结构，流体介质在釜内的流动形态，不是完全均匀的，甚至有反应死角，传质、传热不均匀，影响化工产品品质和生产效率，在压力工况使用时，釜体受压后应力分布不均匀。
发明内容：
本发明的目的是为了克服以上不足，提供一种能改善介质的传质、传热条件、和安全性，且可立、卧两用的球形釜式搅拌反应器。
本发明的目的是这样来实现的：
本发明球形釜式搅拌反应器包括电动机，含介质入口和介质出口的釜体，位于釜体内的搅拌器通过搅拌轴经过传动机构与电动机连接，其特征是釜体形状为球形。
上述的釜体为夹套结构，以满足传热条件。
本发明工作时，电动机通过传动机构带动搅拌器在球形釜体内转动，在保持一定转速的情况下，使釜内流动的介质形成轴向流动、径向流动，周向流动，并合成最终的流动形式，形成一种均匀的传质和传热过程，使化学品的反应更充分，更均匀，以提高化学品的品质和生产能力。
本发明釜内介质在搅拌的状况下反应时，由于球形内壳体的约束，使壳体内的流体介质都能在全容积中获得更加均匀的流动场，更易实现无死角且完全均匀的传质，同时轴转速和轴功率可以相对降低；另外，由于球形壳体在空间360°受力分布最好、最均匀。从而使釜体接受内外压力可以实现最大化，提高了反应釜的承压力。通常在同样材质、同等压力和温度的条件下，球形壳体比相同直径的圆筒形壳体壁厚可以约减少一半。反之，在同样的材质、同等压力和温度的条件下，球形壳体比相同厚度的圆筒形壳体承受的压力要高出一倍，各种应力分布更均匀，使用更为安全。同时，由于球形体空间分布的万向对称，该反应釜可实现立、卧、斜三种使用方式。
图1为本发明结构示意图。
图2为圆筒形釜壳形状示意图。
图3为本发明釜壳形状示意图。
图4为另一圆筒形釜壳形状示意图。
参见图1，釜体3是一个球形壳体夹套结构，其上有介质入口10、介质出口5。位于釜体内的搅拌器4上的搅拌轴11的一端与传动机构——减速器2输出轴连接，减速器2与电动机1连接。搅拌器在电动机的带动下旋转，在保持一定转速的情况下，使釜内流动的介质形成轴向流动9、径向流动8、周向流动6，并合成最终的流动形式7，最后从介质出口流出。
以下的目的是针对球形釜与圆筒形釜在相关条件下各种性能的比较，所涉及的公式如下：
根据GB150钢制压力容器设计标准，球形釜与圆筒形釜在设计温度下的最大允许工作压力及釜壁的计算厚度为：
公式一：
公式二：
公式三：
公式四：
其中：P_w：最大许用压力；
      δ(δ_e)：釜壁的计算厚度(釜壁的有限厚度)；
      D_i：内直径；
      [σ]^t：设计温度下，材料的许用应力；
      Φ：焊接接头系数；
      P_c：计算压力。
根据“钢制压力容器用封头”标准，球形釜与圆筒形釜的容积与换热面积为：
公式五：
公式六：
公式七：
公式八：F_W筒＝π·D_i筒·L+2F_封头
其中：V：容积；
      F_w：换热面积；
      D_i：内直径；
      L：圆筒形釜直线段的长度；
      V_封头：圆筒形釜的封头容积；
      F_封头：圆筒形釜封头的换热面积。
根据“搅拌设备设计”手册第三章“搅拌设备的传热”第二节“液体搅拌中的传热”，釜壁的传热速率为：
公式九： Q 3 = λ 2 δ 2 F w ( t w 1 - t w 2 ) ]]>
其中：Q₃：釜壁面一侧(1-1)至壁面另一侧(2-2)的传热速率；
      λ₂：釜壁金属材料的导热系数；
      δ₂：釜壁的有效厚度；
      F_w：釜壁换热面积；
      (t_w1-t_w2)：釜壁两侧的温度差。
设定球形釜与圆筒形釜在相同的设计温度、同样的材质及有效厚度、相同内直径及焊接接头系数的条件下，即有效厚度δ_e、材质地许用应力[σ]^t、内直径D_i及焊接接头系数Φ相等。根据：
公式一：
公式二：
得出：[P_w]_球＝2[P_w]_筒。
结论1：当球形釜与圆筒形釜在相同的设计温度、同样的材质及有效厚度、相同内直径及焊接接头系数的条件下使用，球形釜的承压能力是圆筒形釜的两倍。
2，设定在安全设计的前提下，球形釜与圆筒形釜在相同的换热面积、使用相同的材质、相同的介质及冷媒、同等压力及温度的条件下，即材质的导热系数λ₂、釜壁换热面积F_w及釜壁两侧的温度差(t_w1-t_w2)相等。根据
公式九： Q 3 = λ 2 δ 2 F w ( t w 1 - t w 2 ) ]]>
得出：釜壁的传热速率Q₃与釜壁的有效厚度成反比。
结论2：在安全设计的前提下，当球形釜与圆筒形釜在相同的换热面积、使用相同的材质、相同的介质及冷媒、同等压力及温度的条件下使用，所需的釜壁越厚，热阻越大，其传热速率越低。
3，设定球形釜与圆筒形釜在相同容积的条件下，即V_球＝V_筒。
举例1：选用公称直径DN为1m的标准椭圆封头，焊接在直径为D_i筒＝1m，长度为L＝1m的圆筒体的圆筒形釜壳(图2)及与该圆筒形釜容积相等的球形釜。图3按照JB/4746-2002“钢制压力用封头”标准中查表1得到：该圆筒形釜封头的标准深度0.275m，其内表面积F_封头＝1.1625m²，容积V_封头＝0.1505m³。根据：
公式六：
公式八：F_W筒＝π·D_i筒·L+2F_封头＝π×1×1+2×1.1625＝5.465m²
由于：V_球＝V_筒＝1.086m³，根据：
公式五：得到球形釜的内直径为：
再根据：
公式七：
得到：即：F_w球＝0.934F_W筒。
结论3：当球形釜与圆筒形釜在相同容积的条件下使用，球形釜的换热面积略小于圆筒形釜的换热面积。
4，设定球形釜与圆筒形釜在推论3的基础上，(即：当圆筒形釜的内直径D_i筒＝1m＝1000mm，且釜的容积V_球＝V_筒时，球形釜的内直径D_i球＝1.275m＝1275mm、球形釜的换热面积F_w球＝5.107m²、圆筒形釜的换热面积F_W筒＝5.465m²)，且使用同样的材质、相同的介质及冷媒、同等压力及温度、相同焊接接头系数的条件下，即：材质的许用应力[σ]^t、材质的导热系数λ₂、釜壁两侧的温度差(t_w1-t_w2)、釜的计算压力P_c、焊接接头系数Φ相等。
设定：
(1)、计算压力P_c＝3MPa；
(2)、设计温度为100□；材质为16MnR；材质的许用应力[σ]^t＝170MPa；
(3)、全焊接对接接头；100％无损检测：焊接接头系数Φ＝1。
根据：
公式三：
公式四：
得到：即：δ_2球＝0.64δ_2筒
再根据：
公式九： Q 3 = λ 2 δ 2 F w ( t w 1 - t w 2 ) , ]]>且设定λ₂(t_w1-t_w2)为相同值i，代入公式，即：
球形釜的传热速率
圆筒形釜的传热速率
得到：即：Q_3球≈1.5Q_3筒
结论4：当球形釜与圆筒形釜在相同容积、使用同样的材质、相同的介质及冷媒、同等压力及温度、相同焊接接头系数的条件下使用，球形釜壁传热速率约为圆筒形釜壁传热速率的1.5倍。
设定球形釜与圆筒形釜使用相同容积、同样的材质、相同的介质及冷媒、同等压力及温度、相同焊接接头系数的条件下，即：容积_V球＝V_筒、材质的许用应力[σ]^t、材质的导热系数λ₂、釜壁两侧的温度差(t_w1-t_w2)、釜的计算压力P_c、焊接接头系数Φ相等。
举例3：设定：
(1)、计算压力P_c＝3MPa；
(2)、设计温度为100□；材质为16MnR；材质的许用应力[σ]^t＝170MPa；
(3)、全焊接对接接头；100％无损检测；焊接接头系数Ф＝1。
(4)、λ₂(t_w1-t_w2)＝i
(5)、按照JB/T4746-2002“钢制压力容器用封头”标准，选用公称直径为800mm的标准椭圆封头、焊接在内径D_筒2＝800mm，长度L_筒2＝1845mm的圆筒体上，形成第二个圆筒形釜壳(图4)，查表1得到：封头的深度为225mm，其内表面积F_封头2＝0.7566m²、容积V_封头2＝0.0796m³。
根据：
公式六：
公式八：F_W筒＝π·D_i筒·L+2F_封头＝6.15m²
公式四：
公式九：
得知球形釜的速率为0.904i
在V_球＝V_筒的前提下，圆筒形釜直段的长径比为：时，Q_3球≈Q_3筒(0.904i≈0.864i)
结论5：当球形釜与圆筒形釜使用相同容积、同样的材质、相同的介质及冷媒、同等压力及温度、相同焊接接头系数的条件下使用，当圆筒形釜的釜体形状由长径比为1拉长至长径比约为2.3的细长圆筒型釜时，球形釜与圆筒形釜的传热速率基本相同，但细长的圆筒形釜在搅拌传质时更为困难。在以上条件下使用，球形釜的传质条件优于圆筒形釜。
综上所述：相对于各种类型的圆筒形釜，球形釜在承压能力、传质与传热、耗材(釜壁厚度可减少)等方面都具有独特的优越性。
可应用于新一代含氟共聚物新材料的聚合反应设备，其特点是要求反应釜具有高传质、传热能力，且反应条件为温度较高(160□)、压力较大(6.3MPa)的条件下反应。本发明可推广泛应用于石油化工、高分子材料、医药化工、生物化工、日用化工及其它精细化工等行业，特别适用于要高温高压并求低剪切、高分散的高、精、尖的化工产品，具有独特的实用意义。
上述各实施例是对本发明的上述内容作进一步的说明，但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于上述实施例。凡基于上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。